[发明专利]轨道角动量微波量子的超窄带通信传输系统和传输方法

说明书

本发明公开一种轨道角动量微波量子的超窄带传输系统和传输方法，在系统中，超窄带信号源产生不同模态的OAM微波量子，模态组合选择单元确定模态形式，信息键控单元以模态键控形式切换当前信息对应模态的OAM微波量子，将原始信息加载到不同模态OAM微波量子上；相位同步单元减小OAM微波量子模态数切换时的相位差值；超窄带信号接收模块接收携带超窄带信号的OAM微波量子，转换成OAM模态能够被鉴别或者分选的信号；超窄带信号恢复和分析模块通过鉴别和分选接收信号确定对应的OAM模态，恢复原始信息。本发明在不需要复杂器件的前提下可实现基于涡旋OAM微波量子的超窄带信息传输，可降低对传统频域资源的占有率，提高频带利用率和信道容量。

技术领域

本发明涉及电磁波轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)量子态技术领域，具体涉及一种基于轨道角动量微波量子的超窄带信息传输系统和传输方法。

背景技术

根据经典电动力学理论，电磁辐射既携带线动量也携带角动量，其中，角动量是由自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)组成的。1909年，Poynting从理论预测了电磁场角动量的力学效应；1992年，Allen等人在光波波段实验验证存在电磁波轨道角动量(OAM)。在无线电波段，S.M.Mohammadi等人提出了利用圆环天线阵产生具有轨道角动量的电磁波，并提出了相应的检测方法。2004年，Gibson等人提出利用光的不同模态可进行信息的独立调制和传输。2011年，同频带下不同OAM模态的两路信号在442m外被成功接收，验证了OAM提升信道容量的可行。随着OAM在光通信中的应用日趋成熟并且在射频频谱资源上的逐渐饱和，此技术开始逐渐转向量子信息层面，光子作为构成电磁波的基本粒子同样可以携带OAM，相当于出现了新信息维度，检测光子的角动量即可完成对电磁波轨道角动量的检测。利用光子能够携带OAM的这一特征，便可以按照键控方式，在频域内占据很窄带宽的情况下，构建超窄带信号。携带OAM的光子特点就是能够在不同于传统频域的资源上，产生模态域的概念，这样利用不同模态传递信息，进一步发展基于超窄带技术电磁波在通信、导航、探测方面的应用，提高信道容量和传输性能。

信息传输过程中频谱是一个非常重要的通信资源，利用非常规调制方式实现超窄带(UNB)的通信技术最早由美国电子工程师Walker HR提出，在1993和1999年，H.R.Walker,分别提出了改进的VPSK方法和著名的VMSK(Very Minimum Shifting Keying)方法，2002年主要提出了一种频谱更干净的PRK(Phase Reversal Keying)的方法。2000年，Walker HR在30kHz的带宽隙里传输了1.544Mb/s速率的数据，而功率消耗在-60dBm以下[2]。超窄带作为能够在有限的频谱资源、频带带宽超窄的情况下传输更多信息的概念在下一代通信系统中越来越引人注目。

综上所述,目前现有实现超窄带的方法，均是通过改变信息调制方式实现的，并且极有可能是将有用信息淹没在频率很高的载波信号中，即使信息实现了超窄带传输，也无法将有效信息的接收和恢复出来，所以需要一种从根本上实现“超窄带”通信传输系统的方法。而截止目前，暂未有较好的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于轨道角动量微波量子的超窄带通信传输系统，该系统通过在整个通信过程中引入OAM微波量子，采用模态可控可以是单一模态也可以是混合模态的OAM微波量子的切换传输超窄带信息，并利用衍射图案恢复超窄带信号。OAM微波量子相比较传统的电磁波通信，能够通过自身模态数的值来传递信息，当通过衍射图案或者模态分选器来直接探测OAM微波量子的模态数时，这一操作是直接在角动量域进行的，不挤占传统的频域资源。并且克服了不同OAM模态之间相位不同步的问题，使得在频域内占据极窄的带宽，使得该方法有着极高的频带利用率。本发明所采用的技术方案如下：

一种轨道角动量微波量子的超窄带通信传输系统，包括发射端和接收端，

发射端包括：